Пожалуйста, оставьте нам сообщение
Решение проблем, связанных с деталями, напечатанными на 3D-принтере, при сверхзвуковом полете
2026-07-31
В 2023 году компания Relativity Space провела испытательный полёт первой в мире ракеты, «полностью» напечатанной на 3D-принтере. Одним из ключевых моментов, вызывавших опасения, было то, сможет ли конструкция ракеты, напечатанная на 3D-принтере, выдержать максимальную нагрузку в точке Max-Q.
В настоящее время детали, изготовленные с помощью 3D-печати, широко используются в аэрокосмической отрасли; в частности, они применяются в ракетах, вооружении, спутниках и гражданских пассажирских самолетах.
Практически все эти продукты, за исключением обычных гражданских пассажирских самолетов, в ходе полета достигают сверхзвуковой скорости, а это означает, что детали, изготовленные с помощью 3D-печати, должны выдерживать особенно суровые эксплуатационные условия.
Однако следует отметить, что большинство вышеупомянутых изделий предназначено для одноразовых полётов, в то время как в случае сверхзвуковых пассажирских самолётов ситуация совершенно иная. В этом выпуске на примере компании Boom Supersonic мы расскажем, каким испытаниям подвергаются детали, напечатанные на 3D-принтере, для сверхзвукового самолёта XB-1.
Детали, напечатанные на 3D-принтере
Сложности эксплуатации при сверхзвуковом полете. Если говорить о том, насколько быстр сверхзвуковой полет, то, например, перелет из Лос-Анджелеса в Пекин обычно занимает 12 часов, а при сверхзвуковом полете — всего 6 часов или даже меньше, что соответствует скорости более 1200 километров в час. Чем выше скорость полета, тем более экстремальными становятся условия эксплуатации компонентов:
➡️ Высокие температуры и резкие перепады температуры: детали, изготовленные методом 3D-печати, должны выдерживать высокие температуры, а также сохранять стабильность формы и эксплуатационных характеристик при резких перепадах температуры.
➡️ Ударные волны и давление: в районе впускных отверстий, трубопроводов и управляющих поверхностей давление может резко повышаться, поэтому детали, изготовленные методом 3D-печати, должны выдерживать такие скачки давления; для обеспечения надлежащего управления воздушным потоком детали должны иметь высокую точность и правильную форму.
➡️ Вибрация и усталостные нагрузки: детали, изготовленные методом 3D-печати, должны обладать не только высокой механической прочностью, но и небольшим весом; при этом они должны выдерживать повторяющиеся вибрации и нагрузки без появления усталостных трещин, что особенно важно для несущих элементов.
➡️ Ограниченное пространство, сложность монтажа: во многих местах самолета пространство ограничено, например, в отсеках для электронного оборудования, вентиляционных каналах и т. д., поэтому доступное пространство ограничено; детали, изготовленные с помощью 3D-печати, должны быть компактными и модульными, чтобы облегчить их монтаж.
Многие детали, напечатанные на 3D-принтере и установленные на XB-1, расположены в герметичных отсеках, таких как кабины пилотов, либо в зонах с более высокой термостабильностью, например в системных отсеках, где размещена большая часть электрооборудования, систем климат-контроля и оборудования управления полётом. Многие детали, напечатанные на 3D-принтере, также используются в более уязвимых зонах, таких как носовая часть и отсек основного шасси. В этих зонах детали должны выдерживать такие суровые условия, как:
➡️ При высоте полёта до 10 000 метров и скорости 1,122 Маха возникает высокая температура.
➡️ Во время взлёта и посадки, когда люки шасси открыты, скорость самолёта может достигать 300 км/ч, что приводит к образованию высокоскоростного воздушного потока.
Для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик деталей инженерная команда Boom тщательно изучила технические паспорта всех материалов для 3D-печати и убедилась, что предполагаемые рабочие нагрузки находятся в пределах заявленных допустимых значений. Помимо данных поставщиков, компания Boom также провела внутреннюю оценку материалов с целью подтверждения их ключевых эксплуатационных характеристик.
В рамках процедуры обеспечения качества соответствующие 3D-принтеры проходят каждые три месяца комплексную проверку, включающую печать и испытание 30 образцов для определения предела прочности на разрыв. В сверхзвуковом самолете XB-1 компании Boom Supersonic используются металлические детали, изготовленные с помощью 3D-печати, такие как высоконапорный компрессор, камера сгорания и высоконапорная турбина, а также большое количество неметаллических деталей.
Лопатки турбины высокого давления, напечатанные на 3D-принтере
Ошибка печати в середине
Воздуховод для испытаний двигателей, напечатанный из материала ULTEM 1010
3D-печатный сверлильный блок (изготовленный из нейлона 12CF) для сборки деталей
Что касается высоких конструктивных нагрузок, то в рамках проекта XB-1 большинство деталей, напечатанных на 3D-принтере, используются в условиях низких нагрузок. Для инженерной команды непосредственное снижение веса конструкции не является первоочередной задачей.
Сверхзвуковой самолет XB-1: типичные сложные детали, напечатанные на 3D-принтере. Несколько деталей, напечатанных на 3D-принтере и установленных на экспериментальном самолете XB-1, демонстрируют сложность в различных аспектах, однако некоторые из них особенно выделяются из-за сложностей, связанных с их геометрией, функциональностью и интеграцией:
➡️ Трубопроводы системы климат-контроля: данная деталь предназначена для направления охлаждающего воздуха к приборам и авиаэлектронике, расположенным перед приборной панелью кабины. Ее внутренняя конструкция отличается сложностью, и благодаря оптимизации обеспечивает равномерное распределение воздушного потока; изготовление такой конструкции с помощью традиционных технологий было бы чрезвычайно сложным, трудоемким и дорогостоящим. Компания Boom с помощью Stratasys F900 легко справилась с этой сложностью, что позволило ей быстро пройти весь процесс от проектирования до монтажа.
➡️ Крепление жгута тросов дроссельной заслонки двигателя: хотя его геометрия не столь сложна, как у каналов электронной системы управления, эта деталь выполняет чрезвычайно важную функциональную роль. Она поддерживает три троса дроссельной заслонки двигателя, проходящие через заднюю часть кабины. Это крепление непосредственно приклеивается к углепластиковой лонжеронной балке, а тросы дроссельной заслонки фиксируются между его верхней и нижней частями с помощью крепежных элементов; точное позиционирование имеет решающее значение для обеспечения безопасной и надёжной работы.
➡️ Рупор Вентури: внутренняя геометрия этого узла также чрезвычайно сложна; он предназначен для эффективного направления воздушного потока через обратный клапан в моторный отсек.
Эти три компонента демонстрируют различные преимущества технологии 3D-печати: свободу геометрического проектирования, интеграцию функций и возможность быстрой разработки решений для конкретных сценариев применения.
КОНЕЦ
Применение 3D-печати не должно быть самоцелью: если существуют более дешевые и надежные способы обработки, следует выбрать их. 3D-печать имеет преимущества в тех случаях, когда традиционные технологии обработки не подходят, например, когда они приводят к увеличению веса, стоимости или сложности деталей. Для масштабного внедрения необходимо провести обширные испытания материалов, проверку технологических процессов и сертификацию.
